TERMODINÁMICA
La termodinámica es la rama de la física que describe los
estados de equilibrio a nivel macroscópico. El Diccionario de la lengua
española de la Real Academia Española, por su parte, define a la termodinámica
como la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el
calor y otras manifestaciones de la energía. Constituye una teoría
fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas
reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio
se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía
interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por
medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la
temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la
imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los
medios continuos en general también pueden tratarse por medio de la
termodinámica.
PRIMER PRINCIPIO DE LA TREMODINÁMICA
También conocida como principio de
conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza
trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía
interna del sistema cambiará.
Visto de otra forma, esta ley permite definir
el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para
compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por
Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia
motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia,
en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue
incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por
Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las
bases de la termodinámica.
La ecuación general de la conservación de la
energía es la siguiente:
Que aplicada a la termodinámica teniendo en
cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:
Donde U es la energía interna del sistema
(aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo
realizado por el sistema.
Esta última expresión es igual de frecuente
encontrarla en la forma
. Ambas expresiones,
aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se
aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (véase criterio de signos
termodinámico).
SEGUNDO PRINCIO DE LA TERMODINAMICA
Este principio marca la dirección en la que
deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la
imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, una mancha
de tinta dispersada en el agua no puede volver a concentrarse en un pequeño
volumen). El sentido de evolución de los procesos reales es único ya que son
irreversibles. Este hecho viene caracterizado por el aumento de una magnitud
física, S, la entropía del sistema termodinámico, con el llamado principio de
aumento de entropía, que es una forma de enunciar el segundo principio de la
termodinámica. También establece, en algunos casos, la imposibilidad de
convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. De esta
forma, el segundo principio impone restricciones para las transferencias de
energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el
primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de
una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema
aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de
la entropía siempre debe ser mayor que cero.
Debido a esta ley también se tiene que el
flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor
temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.
La aplicación más conocida es la de las
máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de
una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o
sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el
trabajo mecánico obtenido.
Existen numerosos enunciados equivalentes
para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
ENUCIADOS DE KELVIN - PLANK
Es imposible construir una
máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la
absorción de energía desde un depósito, con la realización de una cantidad
igual de trabajo. Sería correcto decir que "Es imposible construir una
máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de
calor de un foco y la realización equivalente de trabajo". Varía con el
primero, dado a que en él, se puede deducir que la máquina transforma todo el
trabajo en calor, y, que el resto, para otras funciones... Este enunciado
afirma la imposibilidad de construir una máquina que convierta todo el calor en
trabajo. Siempre es necesario intercambiar calor con un segundo foco (el foco
frío), de forma que parte del calor absorbido se expulsa como calor de desecho
al ambiente. Ese calor desechado, no pude reutilizarse para aumentar el calor
(inicial) producido por el sistema (en este caso la máquina), es a lo que
llamamos entropía.
TERCER
PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
Algunas fuentes se
refieren incorrectamente al postulado de Nernst como "La tercera de las
leyes de la termodinámica". Es importante reconocer que no es una noción
exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de
«ley», siendo incluso inconsistente con la mecánica estadística clásica y necesitando
el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado
adecuadamente. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de
este postulado. El postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por
Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero
absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse
también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su
entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos
cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero
absoluto.
Es importante
remarcar que los principios de la termodinámica son válidos siempre para los
sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel microscópico. La idea del
demonio de Maxwell ayuda a comprender los límites de la segunda ley de la
termodinámica jugando con las propiedades microscópicas de las partículas que
componen un gas.
SISTEMA
Se puede definir un
sistema como un conjunto de materia, que está limitado por unas paredes, reales
o imaginarias, impuestas por el observador. Si en el sistema no entra ni sale
materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no
hay intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la naturaleza,
encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible,
pero podemos hacer aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia,
recibe el nombre de abierto.
Ponemos unos
ejemplos:
Un sistema abierto:
se da cuando existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores; es
por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él desprende diferentes gases y
calor.
Un sistema cerrado:
se da cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante, solo se
puede dar un intercambio de energía; un reloj de cuerda, no introducimos ni
sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir
el tiempo.
Un sistema aislado:
se da cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores;
¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar con él? Sin embargo un termo lleno
de comida caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el
intercambio de materia e intenta impedir que la energía (calor) salga de él. El
universo es un sistema aislado, ya que la variación de energía es cero
PROCESOS
TERMODINAMICOS
Se dice que un
sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica,
cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos
más importantes son:
Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.
Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía.
Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.
Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.
Procesos diatérmicos: son procesos que dejan pasar el calor fácilmente.
Procesos
isoentrópicos: procesos adiabáticos y
reversibles. Procesos en los que la entropía no varía.
CODIFICACION
#include <iostream>
#include <math.h>
using namespace std;
int main()
{ // PRIMERA LLAVE
int Opcion;
do
{
cout<<"****** MENU **************** \n\n";
cout<<"1) SISTEMAS CERRADOS \n";
cout<<"2) COMPRENSIBILIDAD \n";
cout<<"3) CICLO DE CARNOT \n\n";
cout<<"*********************************** \n\n";
cout<<" Ingrese una Opcion: "; cin>> Opcion;
cout<<endl;
cout<<" Digite <0> para salir \n";
switch(Opcion)
{
case 1:
{
cout<<" *** SISTEMAS CERRADOS ****\n";
double U, W, Q, E, h ;
double EC, EP, m, v; // DECLARACION
double const g=9.8;
cout<<"VALOR DEL TRABAJO TRANSFERIDO W= ";cin>>W;
cout<<"VALOR DEL CALOR Q= ";cin>>Q; // ASIGNACION
cout<<"VALOR DE LA MASA m= ";cin>>m;
cout<<"VALOR DE ALTURA h= ";cin>>h;
cout<<"VALOR DE LA VELOCIDAD v= ";cin>>v;
cout<<endl;
cout<<" **********************************\n";
//03 proceso
U=Q-W;
EP=m*g*h;
EC=m*pow(v,2)/2;
E=U+EC+EP;
//04 resultado
cout<<"EL VALOR DE ENERGIA CINETICA ES EC= "<<EC<<" J"<<endl;
cout<<"EL VALOR DE ENERGIA POTENCIAL ES EP= "<<EP<<" J"<<endl;
cout<<"EL VALOR DE CAMBIO DE ENERGUA INTERNA ES U= "<<U<<" J"<<endl;
cout<<"EL VALOR DE SUMATORIA DE ENERGIAS E= "<<E<<" J"<<endl;
}; break;
case 2:
{
cout<<" *** COMPRENSIBILIDAD *** \n";
double Z, p, v, R, T; // DECLARACION
cout<<"VALOR DE LA DENSIDAD ESPECIFICA P= ";cin>>p;
cout<<"VALOR DEL VOLUMEN ESPECIFICO DEL GAS v= ";cin>>v; // ASIGNACION
cout<<"VALOR DE LA TEMPERATURA T= ";cin>>T;
cout<<"VALOR DE CTTE. UNIVERSAL DE LOS GASES R= ";cin>>R;
p= R * T / v;
Z= p * v / R * T;
cout<<"EL VALOR DEL FACTOR DE COMPRENSIBILIDAD Z="<<Z;
cout<<endl;
cout<<" ************************************ \n";
}; break;
case 3:
{
cout<<"**** CICLO DE CARNOT **** \n\n";
double TA, TB, NC; // DECLARACION
cout<<"INGRESE LA TEMPERATURA A TA= ";cin>>TA;
cout<<"INGRESE LA TEMPERATURA B TB= ";cin>>TB;
//04 PROCESO
NC=1-(TB-TA);
cout<<"EL CICLO DE CARNOT ES NC= "<<NC<<"K"<<endl;
cout<<"********************************* \n";
}; break;
}
}while(Opcion !=0);
system("pause");
return 0;
}
